Kuantum malzemeleri, teknoloji dünyasının en umut verici ve aynı zamanda en sinir bozucu misafirleri oldu: inanılmaz yeteneklerle geliyorlar, ama sadece onları mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa dondurursanız. Oda sıcaklığında, ısı atomları kafein yüklü bir kalabalık gibi titreştiriyor ve herkesin kontrol etmeye çalıştığı hassas kuantum etkilerini bozuyor. Bu, devasa kriyojenik soğutma sistemleri anlamına geliyordu - pahalı, hantal ve günlük cihazlar için kişisel bir kar küreme makinesi kadar pratik.

Ama şimdi, LSU fizikçileri partiye ilk oda sıcaklığında çalışan ve ışığın farklı kuantum durumlarını tanıyıp taşıyabilen kuantum malzemesiyle geldi. Nature'da yayınlanan bu atılım, kuantum malzemeleri araştırmasındaki en büyük engeli ele alıyor: aşırı soğuk ihtiyacı.

Doçent Omar S. Magaña-Loaiza liderliğindeki ekip, yeni bir malzemeye rastlamadı; onu sıfırdan mühendislikle üretti. Eski doktora sonrası araştırmacı ve şimdi Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde olan Chenglong You, tuhaf tasarım tam olarak tahmin edildiği gibi çalışınca heyecanlandı: "Bu projenin en heyecan verici kısımlarından biri, doğanın kendi başına sağlamadığı bir şey yapan bir malzeme inşa edebileceğimizi fark etmekti. Tam olarak tahmin ettiğimiz gibi çalıştığını görmek inanılmaz derecede ödüllendiriciydi."

İşte tarif: bir cam çip alın, üzerine ince bir altın tabakası kaplayın ve odaklanmış iyon ışınları kullanarak yüzlerce minik yarık oymak. Her yarık yapay bir atom gibi davranır, 'meta-atom' ve birlikte insan saçından daha ince bir kristal oluştururlar - doğa böyle bir şey yaratmadı. Işık çipe çarptığında, bu meta-atomlarla etkileşir ve boyutlarını, şekillerini ve aralıklarını ayarlayarak ekip, malzemenin ışığa tepkisini kontrol eder. Sonuç? Oda sıcaklığında daha önce asla elde edilmemiş ışık manipülasyonu.

Doktorasını yeni tamamlayan ve NIST'e NRC Doktora Sonrası Araştırma Görevlisi olarak gidecek olan Riley B. Dawkins şöyle açıklıyor: "Plazmonik metakristaldeki meta-atomların dağılımını mühendislikle ayarlayarak, hangi kuantum istatistiklerinin yapıdan geçmesine izin verileceğini sistematik olarak belirleyebiliriz. Yani kristalimiz esasen kuantum durumları üzerinde istatistiksel bir filtre görevi görür."

Metakristal sadece orada durmuyor; ışığın farklı kuantum durumlarını ayıklıyor. Güneş ışığı, lazer ışığı ve floresan ışığın hepsi farklı foton davranışlarına sahiptir ve bunları ayırt etmek genellikle karmaşık ekipman, kriyojenik dedektörler ve milyonlarca ölçüm gerektirir. Bu kristal bunu kendi başına yapıyor, farklı kuantum durumlarını istatistiklerini koruyarak ayrı yollar boyunca yönlendiriyor - 'sağlam taşıma' adı verilen bir numara. Magaña-Loaiza'nın dediği gibi: "Bu kuantum durumları bilgi taşır. Kristalimiz onları ayırt edebilir ve kriyojenik soğutma gerektirmeden bir noktadan diğerine sağlam bir şekilde taşıyabilir. Pratik kuantum teknolojilerinin kapısını açan şey budur."

Bu, çok cisimli sistemlerde kuantum tutarlılığına doğal olarak duyarlı ilk oda sıcaklığı kuantum malzemesidir - bu büyük bir olay, çünkü tutarlılığı korumak zorlu olarak bilinir.

Ekip ayrıca yeni bir terim icat etti: 'kuantum istatistiksel plazmonik metakristal.' Ayrıca, yarı iletkenlerdeki elektronik bant yapıları gibi çalışan ancak ışığın kuantum durumlarını yöneten 'kuantum istatistiksel bantlar' keşfettiler. Meta-atomları yeniden düzenleyerek, araştırmacılar hangi durumların değişmeden geçeceğini seçebilir. Bu tasarım planı, doğada bulmalarına gerek kalmadan bir bütün kuantum malzemesi ailesi yaratabilir.

Oda sıcaklığında çalışma, bunu laboratuvarların ötesinde de önemli kılıyor: kuantum bilgisayarlar dev soğutma sistemleri olmadan küçülebilir, kuantum iletişim ağları daha pratik hale gelebilir ve sensörler daha hassas olabilir. Ayrıca malzeme, ışığı kararlı yollar boyunca yönlendirerek enerji kaybını ısı olarak önleyebilir ve güneş pillerini güçlendirebilir. Ekip, metakristali güneş pillerine entegre ederek bunu bir sonraki adımda test etmeyi planlıyor.

Çalışma, ABD Enerji Bakanlığı, Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Bölüm M tarafından finanse edildi.